核电池的应用

航天领域的应用

宇宙航行对电源的要求非常高,除了功率必须满足要求外,不仅要求体积小、重量轻和寿命长,还要能经受宇航中各种苛刻条件的考验。太阳能电池广泛应用在人造地球卫星上,但是当进行远离太阳的深空航行时,太阳能电池就显得力不从心,除了因光线太弱导致能量不足外,还有可能因受到强烈的宇宙射线的照射而使能量转换元件失效。而核电池可以满足各种航天器对电源的长期、安全、可靠供电的要求,被航天界普遍看好并广泛应用。

20世纪,美国发射的地球卫星、登月飞船、空间探测器都使用核电池作为动力,且多为温差式核电池。例如,1961年发射的“探险者1号导航卫星,使用核电池作电源,到了1972年还能清晰地接收到它发出的讯号。1969年7月21日,美国宇航员乘阿波罗11号飞船成功登上月球。在阿波罗11号飞船上,安装了两个放射性同位素装置,其热功率为15 W，用的燃料为238Pu。在月球严酷的自然环境下,同位素电池仍能正常稳定工作。后来发射的阿波罗12,14,15,16 及17 号相继安装了SNAP-27A 核电池,它用的燃料也是238Pu,设计输出功率为63.5W,整个装置重量为31kg,设计寿命为1年,但实际上,其寿命远远超过设计时的1年,并能连续供给70W 以上的电力。

1997年10月“卡西尼号宇宙飞船沿着金星--地球-木星的借力飞行路线于2001年5月18日正式进入土星系,并获得了清晰的土卫九照片。它的核电池所用核材料为238PuO2陶瓷压块,可提供750W 的总功率,到探测器11年的飞行任务结束时仍能发出628W 的电力。

随着人类航天活动的日益拓展,必然对空间电源提出新的需求,同位素电池成为航天技术进步的更重要工具。

航海、航空导航等领域的应用

处于深海、远海、急流险滩处的灯塔和导航浮标等需要的能源必须保证寿命长,通常的太阳能电池、燃料电池和其他化学电池很难胜任,而采用核电池,能保证光源几十年内不换电池,不用为经常更换电池和维修发电机而烦恼。

军事上,还将核电池用作水下监听器的电源,用来监听敌方潜水艇的活动。它的工作时间可长达十几年,而且可以长期不用人去看管和维修。它们就像机智勇敢的侦察兵,十几年如一日地在水下执行着警戒任务。还有一些海底设施,如海下声纳、各种海下科学仪器与军事设施、海底油井阀门的开关和海底电缆中继器等,所用核电池既能耐5—6km 深海的高压,安全可靠地工作,花费成本又少,令人十分称心。

地面上有许多终年积雪冻冰的高山地区、遥远荒凉的孤岛、荒无人烟的沙漠,还有南极、北极等,也需要建立气象站和导航站。如果用其它电源,更换和维修是极其困难的。若用核电池,可以建成自动气象站或自动导航站,实现自动记录和自动控制,常年无须更换和维修电源。

在医学领域的应用

在医学上,这种体积小重量轻的长寿命的核电池已经广泛应用于心脏起搏器,全世界已经有成千上万的心脏病患者植入了核电池驱动的心脏起搏器,挽救了他们的生命,使他们能够重新享受人生的幸福。心脏起搏器的电源体积非常小,比1节2号电池还小,重量仅100多克,若用放射源为238Pu,150mg即可保证心脏起搏器在体内连续工作10年以上。如换用产生同样功率的化学电池,要保证同样的使用寿命,其重量几乎与成人的体重一样。核电池保证患者不必再为更换埋在体内已经不能再工作的化学电池而冒着生命危险,忍受极大痛苦,反复进行开胸手术。

放射性同位素心脏起搏器于上世纪70 年代初开始应用，最早使用的是法国和美国。法国用于放射性同位素心脏起搏器[6]的电池为碲化铋半导体型，燃料为238Pu 二元合金，输出功率700 μW，外形尺寸Φ2.3 cm×5 cm，重40 g。美国使用金属热电偶型电池的心脏起博器[6]，燃料为金属238Pu，输出功率230 μW，形尺寸Φ1.7 cm×4.5 cm。放射性同位素电池还能用作人工心脏、人工肺脏、人工肾脏、心脏辅助装置、神经模拟器、人工血压调节器、括约肌刺激器等的电源。

在微型电动机械中的应用

微型电动机械(MEMS)是一个飞速发展的领域,从汽车安全气囊的触发感应器到环境监控系统的药品释放,微型电动机械已经应用到了人们的日常生活中,并有希望生产大量不同的具有创新意义的设备。但这些设备受到缺乏随机电源的限制,目前正在研究的解决方法包括燃料电池、矿物燃料以及化学电池都有其局限性,最大的问题就是体积太大。

Cornell大学和Wisconsin Madison大学在早期研发的核电池装置基本上就是由一小量63Ni放置在一个普通的PN 结所组成。63Ni所放射出来的粒子把二极管的原子电离,得到分离的空穴和电子对而产生电流。在此基础上,又研发了改进的核电池能作为小型机械发电机的电源。

在手机等电子产品上的应用

微型核电池虽然只有钮扣般大小,主要成分是235U,但却拥有在手机第一次使用后能够连续提供1年以上待机时间的电量,从而使厂商节省了生产充电器的成本。另外,在手机中,射频滤波器占用了相当多空间,且这些微型电动机械滤波器需要相对较高的直流电压。一个微型核电池可以用以产生10—100V的电压,直接对滤波器进行有效的供电。

虽然还存在技术、成本和安全等方面的问题,但可以预见,等这些问题得到有效解决,微型核电池很有希望安装在各种手提设备上。